DE102015213738A1

DE102015213738A1 - Energietechnische Komponente, insbesondere Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: DE102015213738A1
Application number: DE102015213738.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Steffen Lang; Bernd Trautmann; Norbert Wenzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-01-26
Also published as: DE112016003260A5; WO2017012740A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrotechnische Komponente, insbesondere der Mittel- und/oder Hochspannungstechnik, insbesondere Vakuumschaltröhre für Mittel- und Hochspannungsschalter, die zur elektrischen Isolation mindestens eine Keramik aufweist, auf der auf mindestens einer Oberfläche eine leitfähige Schicht zur Einprägung mindestens eines räumlichen Flächenwiderstandsverlaufs ausgebildet ist, wobei ein lokaler Wert des elektrischen Flächenwiderstandes an einer Position eines mittels der leitfähigen Schicht (15) ausgebildeten Widerstandsbelags der Keramik in Abhängigkeit jeweils von einem lokalen Maximalwert einer elektrischen Feldstärke einer infolge eines bei einem Betrieb der Komponente an der Position erzeugten elektrischen Feldes bewirkten dielektrischen Belastung der Keramik geschaffen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine entsprechende Verwendung gemäß dem Nebenanspruch.
Komponenten der Mittel- und Hochspannungstechnik, insbesondere Vakuumschaltröhren, sind großen elektrischen Spannungen ausgesetzt, die sich innerhalb kleiner Zeiträume stark ändern können. Es ergeben sich bei einem Betrieb unterschiedliche Anforderungen an eine Spannungsfestigkeit zum Beherrschen hoher Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schaltflanken, von großen Nennspannungen und von großen so genannten Nennstehwechselspannungen mit relativ großen Belastungszeitdauern.
Eine Spannungsfestigkeit wird herkömmlicherweise dadurch bereitgestellt, dass insbesondere im oberen Mittelspannungsbereich und im Hochspannungsbereich beispielsweise Vakuumschaltröhren mit multiplen Keramiken als Isolatoren eingesetzt werden, deren Länge durch empirische Auslegung derart dimensioniert wird, dass die Schaltröhre als Ganzes alle an sie gestellten Anforderungen erfüllt. Die Keramiken bestehen dabei aus hochisolierenden keramischen Werkstoffen, wie es beispielsweise Aluminiumoxid ist. Durch die Verwendung von meist einheitlichen Keramiken muss damit die Keramiklänge damit so dimensioniert werden, dass diese ebenso beim ungünstigsten Fall an der am stärksten belasteten Stelle der Vakuumschaltröhre die maximal auftretende Feldstärke beherrschen muss. Dies hat zur Folge, dass die Keramiken zum Teil überdimensioniert sind, das heißt, die Schaltröhren sind größer, schwerer und teurer als gewünscht.
Die EP 1 290 707 B1 offenbart eine Vakuumschaltröhre mit einem Gehäuse, das zwei als Axial-Magnetfeld-Kontakte ausgebildete Kontaktstücke umgibt, und das einen ersten Keramikisolator und einen axial dazu angeordneten zweiten Keramikisolator gleichen Durchmessers aufweist, wobei jeder Keramikisolator einen Stromzuführungsbolzen umgibt und die beiden Keramikisolatoren untereinander stirnseitig über ein als Schaltkammer ausgebildetes, zwischengefügtes Metallteil vakuumdicht miteinander verbunden sind, wobei dem ersten und dem zweiten Keramikisolator jeweils ein weiterer, gleichartiger Keramikisolator axial und unmittelbar benachbart zugeordnet ist.
Die DE 10 2010 005466 B3 offenbart eine Vakuumschaltröhre mit einem Gehäuse, welches zwei bezüglich einer Mittenebene symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche aufweist, wobei jede der beiden Isolierstoffgehäuse mehrere Isolierstoffgehäuseteile umfasst, und wobei zwischen jeweils benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sowie Isolierstoffgehäuseteil und jeweils benachbarten weiteren Gehäuseteilen sich ins Innere der Vakuumschaltröhre erstreckende Schirmelemente angeordnet sind, mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften bei gleichzeitigem materialsparenden Aufbau auszubilden, wird vorgeschlagen, dass geometrische Abmessungen der Schirmelemente in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung und einer zwischen benachbarten Schirmen möglichen kritischen Feldstärke bestimmt sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Spannungsfestigkeit von elektrotechnische Komponenten, insbesondere der Mittel- und Hochspannungstechnik, insbesondere von Vakuumschaltröhren, die im Englischen als „vacuum interrupter“ bezeichnet und insbesondere als Mittel- und Hochspannungsschalter verwendet werden, bei minimaler Baugröße und minimalen Herstellungskosten im Vergleich zum Stand der Technik zu vergrößern. Es sollen Überdimensionierungen von Bauteilen vermieden werden.
Diese Anforderungen werden dadurch verschärft, dass beispielsweise Vakuumschaltröhren zwar oft weitgehend symmetrisch zu einer, insbesondere gedachten, Mittelebene der Röhre aufgebaut sind, um die Zahl unterschiedlicher Bauteile und die Komplexität des Aufbaus zu minimieren. Die tatsächliche reale Umgebung der Röhre verzerrt jedoch im Betrieb das elektrische Feld im Allgemeinen stark, so dass Teilbereiche der Röhre wesentlich stärker elektrisch belastet sind, und zwar im Sinne einer hohen mittleren elektrischen Feldstärke. Die Aufgabe wird durch eine Komponente, insbesondere der Mittel- und Hochspannungstechnik, gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine elektrotechnische Komponente, insbesondere der Mittel- und Hochspannungstechnik, insbesondere eine Vakuumschaltröhre für Mittel- und Hochspannungsschalter vorgeschlagen, die zur elektrischen Isolation mindestens eine Keramik aufweisen, auf der auf mindesten einer Oberfläche eine leitfähige Schicht zur Einprägung mindestens eines räumlichen Flächenwiderstandsverlaufs ausgebildet ist, wobei ein lokaler Wert des elektrischen Flächenwiderstandes an einer Position eines mittels der leitfähigen Schicht ausgebildeten Widerstandsbelags der Keramik in Abhängigkeit jeweils von einem lokalen Maximalwert einer elektrischen Feldstärke einer infolge eines bei einem Betrieb der Komponente an der Position erzeugten elektrischen Feldes bewirkten dielektrischen Belastung der Keramik geschaffen ist.
Es ist erkannt worden, dass es vorteilhaft ist, Keramiken zu verwenden, die insbesondere auf deren Außenseite mit einer Beschichtung aus einer leitfähigen Schicht versehen sind, welche geeignet ist, eine Potential- und Feldverteilung der Keramik so zu steuern, dass Feldstärkeüberhöhungen abgebaut beziehungsweise vermieden werden, wodurch die Keramik besser an auftretende elektrische Feldstärken angepasst werden kann. Beispielsweise können im Vergleich zum Stand der Technik kürzere und kostengünstigere Keramiken verwendet werden.
Hierbei wird der interne Stand der Technik gemäß der zum Anmeldezeitpunkt dieser Anmeldung noch nicht offengelegten Patentanmeldung DE 10 2014 213944.9 auf folgende erfinderische Weise weiterentwickelt. Gemäß diesem internen Stand der Technik wird eine resistive, aber leitfähige Beschichtung als eine leitende Verbindung zwischen zwei Leiterelementen vorgeschlagen, wobei ein Flächenwiderstand lediglich in Abhängigkeit von einer Position l in einer Erstreckungsrichtung variiert wird.
Es kann eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen an eine Spannungsfestigkeit beispielsweise bei großen Blitzstoßspannungen mit stark transienten Schaltflanken, insbesondere mit Anstiegszeiten von 1,2 µs und exponentiell abfallenden Rückflanken mit Zeitkonstanten von 50 µs, bei Nennspannungen mit 50 Hz oder 60 Hz Grundfrequenz mit harmonischen Anteilen bis in den KHz-Bereich, bei sogenannten Nennstehwechselspannungen bei 50 Hz oder 60 Hz mit Amplituden bis zum Doppelten der Nennspannungsamplitude bei Belastungsdauern bis zu einer Minute mittels des erfindungsgemäß eingeprägten Widerstandsbelags einer Keramikbeschichtung ausgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Verwendung einer elektrotechnischen Komponente, insbesondere der Mittel- und/oder Hochspannungstechnik, insbesondere eine Vakuumschaltröhre für Mittel- und Hochspannungsschalter vorgeschlagen, die zur elektrischen Isolation mindestens eine Keramik aufweist, auf der auf mindestens einer Oberfläche eine leitfähige Schicht zur Einprägung mindestens eines räumlichen Flächenwiderstandsverlaufs ausgebildet ist, zum elektrischen Isolieren von elektrischen Spannungen, insbesondere von Mittel- und/oder Hochspannungen, insbesondere im Bereich von ca. 24 KV bis 52 KV.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann entlang eines unteren Bereichs einer relativ kleinen elektrischen Feldstärke der elektrische Flächenwiderstand mit einem relativ großen konstanten Wert geschaffen sein, wobei der elektrische Flächenwiderstand entlang eines mittleren Bereichs einer relativ mittleren Feldstärke nichtlinear, insbesondere exponentiell, sich bis zu einem relativ kleinen Wert verkleinernd geschaffen sein kann und entlang eines oberen Bereichs einer relativ großen elektrischen Feldstärke konstant bei dem relativ kleinen Wert geschaffen sein kann.
Infolge eines beispielsweise zu herkömmlichen Varistorkennlinien flacheren Verlaufs des dynamischen elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung kann eine einfache und genaue Anpassung über große Wertebereiche des dynamischen elektrischen Widerstands und der elektrischen Spannung ausgeführt werden. Es ergeben sich überraschend besonders vorteilhafte Feldsteuereigenschaften, mit denen eine räumliche Verteilung von elektrischen Feldern gezielt, einfach und genau beeinflusst und damit gesteuert werden kann. Eine Anpassung kann auf reale Umgebungen mit beispielsweise verzerrten elektrischen Feldern einfach und genau erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann entlang des mittleren Bereichs der elektrische Flächenwiderstand entsprechend der Formel R_Fl = 1/K × E^1-α zu dem relativ kleinen Wert sich verkleinernd geschaffen sein, wobei R_Fl der elektrische Flächenwiderstand, K eine von der Geometrie der Komponente abhängige Konstante, E die Stärke des sich entlang einer Keramik erstreckenden elektrischen Feldes und α ein Exponent ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Exponent α einen Wert zwischen ca. 4 und ca. 6, insbesondere zwischen ca. 4 und ca. 5 aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann entlang des unteren Bereichs mit Feldstärken von 1V/mm bis ca. 20V/mm, insbesondere bis < 10V/mm, der relativ große konstante Wert des elektrischen Flächenwiderstands ein Wert zwischen ca. 10¹⁰ und 10¹³ Ohm/Einheitsquadrat, insbesondere zwischen ca. 10¹¹ und ca. 10¹⁰ Ohm/Einheitsquadrat, sein.
Ein Einheitsquadrat kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass ein von außen betrachteter Einheitsquader des Widerstandsbelages an der Oberfläche des Widerstandsbelags ein Einheitsquadrat bildet, dessen Seiten in Richtung oder senkrecht zu der Richtung von Feldlinien eines relevanten elektrischen Feldes orientiert sind. Entsprechend wird eine Vergrößerung der senkrechten Seiten durch die Vergrößerung der parallelen Seiten dahingehend kompensiert, dass der Flächenwiderstand ihn Ohm pro Einheitsquadrat gleich bleibt. Damit ist ein Flächenwiderstand in Ohm pro Einheitsquadrat in einer homogenen leitfähigen Schicht unabhängig von der Größe des Einheitsquadrats immer konstant. Entsprechend hat dieser spezifische Flächenwiderstand lediglich die Einheit Ohm pro Einheitsquadrat beziehungsweise Ohm pro Square. Weitere Informationen zur Bereitstellung eines Widerstandsbelages sind der Offenlegungsschrift zur Patentanmeldung DE 10 2014 213944.9 zu entnehmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im mittleren Bereich Feldstärken > ca. 10V/mm, insbesondere > ca. 20V/mm und < ca. 2000V/mm, insbesondere < ca. 1000 V/mm, insbesondere < ca. 500 V/mm den Werten des elektrischen Flächenwiderstands zugeordnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann entlang des oberen Bereichs mit Feldstärken von > ca. 500V/mm, insbesondere > ca. 800V/mm, insbesondere > ca. 1000 V/mm, insbesondere > ca. 2000V/mm, der relativ kleine konstante Wert des elektrischen Flächenwiderstands ein Wert zwischen ca. 10⁸ und 10⁹ Ohm/Einheitsquadrat, insbesondere zwischen ca. 2 × 10⁸ und ca. ca. 6 × 10⁹ Ohm/Einheitsquadrat, sein.
Es ist erkannt worden, dass eine Beschichtung mit einem nichtlinearen spezifischen Widerstand von typisch 10¹¹ bis 10¹² Ohm/Einheitsquadrat im Bereich niedriger Feldstärken < 100V/mm und typisch 10⁸ bis 10⁹ Ohm/Einheitsquadrat im Bereich hoher Feldstärken > 500V/mm besonders vorteilhaft sind, da hier ebenso im Bereich einer entsprechenden Nennstehwechselspannung die thermische Belastung infolge einer Erwärmung der Widerstandsschicht beziehungsweise des Widerstandsbelages noch im zulässigen Bereich liegt, die Feldstärkeüberhöhungen entlang der Keramik aber optimal abgebaut werden. Bei Schichten im genannten Bereich werden zudem die Feldstärken im Bereich von Tripelpunkten stark abgebaut, so dass die Feldemissionszentren von Elektronen, welche zur Auslösung von Durchschlägen führen, stark unterdrückt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wert des elektrischen Flächenwiderstandes des Widerstandsbelags bei einer konstanten spezifischen Leitfähigkeit des Widerstandsbelages proportional mit einer Länge der Keramik eingestellt werden. Das heißt, es können einheitliche Keramiken verwendet werden, wobei bei einer konstanten spezifischen Leitfähigkeit der Widerstandsschicht lediglich die Längen der Keramiken variiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Länge einer jeweiligen Keramik bei Verwendung einer konstanten spezifischen Leitfähigkeit für einheitliche Keramiken die jeweilige Keramik jeweils genau an die dielektrische Belastung angepasst werden, so dass auf einfache Weise Überdimensionierungen vermieden werden können.
Die Keramiken sind dann im Mittel kürzer und damit kostengünstiger.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wert des elektrischen Flächenwiderstandes des Widerstandsbelags alternativ oder kumulativ mittels der Leitfähigkeit des Widerstandsbelags eingestellt werden.
Die Leitfähigkeit der Keramikbeschichtung kann für die unterschiedlichen Keramiken unterschiedlich gewählt werden. Dabei kann die Länge der Keramiken konstant beibehalten werden.
Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen können elektrotechnische Komponenten, insbesondere Vakuumschaltröhren, beispielsweise für den Hochspannungsbereich, besonders kompakt und betriebssicher aufgebaut werden, wobei zusätzlich zu den Kosten der Komponente ebenso Systemkosten, beispielsweise eines Hochspannungsschaltgerätes beziehungsweise einer Hochspannungsschaltanlage, minimiert werden können. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wert des elektrischen Flächenwiderstandes des Widerstandsbelags mittels der Dicke des Widerstandsbelages einstellbar sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Mehrzahl, insbesondere > 2, von diskreten hohlzylindrischen Keramiken elektrisch miteinander verschaltet sein und der jeweilige Wert des elektrischen Widerstandes des mittels der leitfähigen Schicht ausgebildeten Widerstandsbelages der jeweiligen Keramik an die jeweils wirkende Feldstärke angepasst sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Mehrzahl von hohlzylinderförmigen Keramiken elektrisch in Serie miteinander verschaltet sein und äußere Keramiken der Serie können in Relation zu inneren Keramiken der Serie einen kleineren Wert des elektrischen Widerstands des Widerstandsbelages aufweisen. Es ist vorteilhaft, wenn der Widerstandsbelag der einzelnen Keramiken derart variiert geschaffen ist, dass eine Potentialverteilung über die Länge einer Röhre gezielt gesteuert werden kann, indem ein Widerstandsbelag an den endständigen Keramiken, die im Allgemeinen am stärksten elektrisch belastet sind, am niedrigsten ist und bei den dazwischenliegenden Keramiken erhöht ist.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der elektrotechnischen Komponente als Vakuumschaltröhre, insbesondere mit vier oder mehr Keramikisolatoren, sowie ebenso bei Röhren im oberen Mittelspannungsbereich, das heißt, typischerweise 24KV bis 52KV Nennspannung.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente;
2 eine Darstellung zum Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente;
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente 1. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1, die hier eine Vakuumschaltröhre ist. Ein hier aus zwei röhrenförmigen Keramikteilen, also Isolatoren 2, zusammengesetztes Gehäuse 3 wird durch metallene Kappen 4 abgeschlossen und definiert eine Schaltkammer 5, in die zwei beispielsweise als Bolzen ausgebildete Leiterelemente 6 mit Kontakten 7 geführt sind. Das in 1 untere der Leiterelemente 6 ist gemäß dem Pfeil 8 und der angedeuteten Bewegungsrichtung 9 beweglich ausgestaltet und kann entlang einer Achse 10 der Leiterelemente 6, welche auch die Symmetrieachse der Schaltvorrichtung 1 bildet, verschoben werden, um die Kontakte 7 in Kontakt zu bringen oder zu beabstanden, wobei vorliegend ein geöffneter Zustand der Schaltvorrichtung 1 gezeigt ist. Aufgrund der Beweglichkeit des unteren Leiterelementes 6 ist dieses über einen Metallbalg 11 an die Metallkappe 4 angekoppelt. Auf beiden Seiten sind also die Metallkappen 4 leitend mit den Leiterelementen 6 verbunden.
Um beispielsweise beim Öffnen der Schaltvorrichtung 1 entsprechende Metalldämpfe nicht auf die innere Oberfläche des Isolators 2, hier Keramik, kommen zu lassen, ist vorliegend in der Schaltkammer 5 ein metallenes Schirmelement 12 als ein Dampfschirm im Kontaktierungsbereich vorgesehen. Dieses Schirmelement 12 sorgt nun jedoch auch für eine Verzerrung des elektrischen Feldes, so dass in einem Bereich 13 hinter den Schirmelementen ein geringeres elektrisches Feld im Betrieb vorliegen würde, als in den Bereichen 14, wo sich beispielsweise Ladungen ansammeln können und somit für weitere Feldverzerrungen sorgen können, die die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung 1 in Frage stellen könnten. Um dem entgegenzuwirken, ist die Außenseite des Isolators 2 und mithin des Gehäuses 3 im Bereich des Isolators 2, mit einer resistiven Beschichtung 15 versehen, die die gesamte Außenoberfläche des Isolators 2 überdeckt und auf beiden Seiten der Schaltvorrichtung 1 leitend die Kappen 4 kontaktiert, beispielsweise mittels einer Lötverbindung oder dergleichen. Mithin ist durch die resistive, aber leitfähige Beschichtung 15 eine leitende Verbindung zwischen den Leiterelementen 6 gegeben, so dass zwar ein geringer Fehlerstrom entsteht, der aber aufgrund eines hohen Widerstands der Beschichtung 15 nicht wesentlich ist, jedoch zur Feldangleichung und zum Abtransport von Oberflächenladungen beiträgt. Das heißt, ein lokaler Wert des elektrischen Flächenwiderstandes an einer Position des Mittels der Beschichtung beziehungsweise der leitfähigen Schicht 15 ausgebildeten Widerstandsbelags der Keramik wird hier an den jeweils von einem lokalen Maximalwert einer elektrischen Feldstärke einer infolge eines beim Betrieb der Komponente an der Position erzeugten elektrischen Feldes bewirkten dielektrischen Belastung der Keramik gezielt angepasst.
2 zeigt eine Darstellung zum Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente gemäß 1. 2 zeigt welcher lokaler elektrischer Flächenwiderstand RF_l in Abhängigkeit von der dort wirkenden elektrischen Feldstärke ausgewählt und geschaffen werden sollte. Die Rechtswertachse zeigt das belastende elektrische Feld E mit der Einheit V/mm. Die Hochwertachse zeigt einen jeweiligen elektrischen Flächenwiderstand RF_l mit der Einheit
Ohm pro Einheitsquadrat. Die erfindungsgemäß vorteilhaft vorgeschlagene Form der Widerstands-Feldstärke-Kennlinie der Beschichtung beziehungsweise leitfähigen Schicht 15 hat in der gemäß 2 dargestellten doppelt logarithmischen Darstellung, eine Z-Form. Die Darstellung gemäß 2 zeigt eine lineare Darstellung von Exponenten. Die Darstellung zeigt den spezifischen Widerstand in Ohm pro Einheitsquadrat einer nichtlinearen leitfähigen Schicht 15 als Funktion der Feldstärke bei einer konstanten Schichtdicke.
Für Feldstärken unterhalb von etwa 10V/mm bis 50V/mm sind spezifische Schichtwiderstände im Bereich von 10¹⁰ Ohm/Einheitsquadrat bis 10¹³ Ohm/Einheitsquadrat günstig, besonders vorteilhaft sind Widerstände im Bereich von 10¹¹ Ohm/Einheitsquadrat bis 10¹² Ohm/Einheitsquadrat. In diesem Bereich ist der Schichtwiderstand weitestgehend unabhängig von der Feldstärke.
Im Feldstärkenbereich von typisch 20V/mm bis etwa 500 ... 1000V/mm folgt der Strom einem exponentiellen Verlauf entsprechend folgender Formeln: I = KE^α (1) R = 1/K × EU^1-α (2) mit einem Exponenten α von typisch 4 bis 6, vorzugsweise im Bereich 4 bis 5, worin I der Strom ist, E die elektrische Feldstärke, K eine geometrieabhängige Konstante und α ein Nichtlinearitätsexponent. Im Vergleich zu bekannten Varistorkennlinien fällt die Charakteristik der hier beanspruchten Schichten somit sehr viel flacher aus als in herkömmlichen Varistorkennlinien, so dass in überraschender Weise besonders vorteilhafte Feldsteuereigenschaften bereitgestellt werden. Ein erzeugter Widerstand ist damit an die jeweilige Spannungsfestigkeit angepasst und ist auf diese Weise nicht zu groß. Es können große Dauerbetriebsspannungen beherrscht werden.
Ebenfalls im Gegensatz zu herkömmlichen nichtlinearen Beschichtungen mit Varistorkennlinie, beispielsweise Beschichtungen mit Zinkoxid oder Siliziumkarbidfüllern, wird bei den hier beanspruchten Schichten mit dotiertem Zinn(II)oxid und vergleichbaren Füllstoffen bei Feldstärken oberhalb etwa 800 ... 1000 V/mm der Widerstand wiederum weitgehend unabhängig von der Feldstärke gefordert, das heißt, er nimmt mit weiter zunehmender Feldstärke nicht weiter ab. Der für hohe Feldstärken > 2000V/mm asymptotisch erreichte Widerstandsgrenzwert liegt vorteilhafterweise im Bereich 10⁸ bis 10⁹ Ohm/Einheitsquadrat, vorzugsweise im Bereich (2–6) × 10⁸ Ohm/Einheitsquadrat.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung. Die Verwendung Ve erfolgt für eine elektrotechnische Komponente, insbesondere der Mittel- und/oder Hochspannungstechnik, insbesondere für eine Vakuumschaltröhre für Mittel- und/oder Hochspannungsschalter, die zur elektrischen Isolation mindestens eine Keramik aufweisen, auf der auf mindestens einer Oberfläche eine leitfähige Schicht zur Einprägung mindestens eines räumlichen Flächenwiderstandsverlauf ausgebildet ist, zum elektrischen Isolieren von elektrischen Spannungen, insbesondere von Mittel- und/oder Hochspannungen, insbesondere im Bereich von ca. 24KV bis 52KV.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1290707 B1 [0004]
DE 102010005466 B3 [0005]
DE 102014213944 [0010]
DE 102014213944 A [0019]

Claims

Elektrotechnische Komponente, insbesondere der Mittel- und/oder Hochspannungstechnik, insbesondere Vakuumschaltröhre für Mittel- und Hochspannungsschalter, die zur elektrischen Isolation mindestens eine Keramik aufweist, auf der auf mindestens einer Oberfläche eine leitfähige Schicht zur Einprägung mindestens eines räumlichen Flächenwiderstandsverlaufs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokaler Wert des elektrischen Flächenwiderstandes an einer Position eines mittels der leitfähigen Schicht (15) ausgebildeten Widerstandsbelags der Keramik in Abhängigkeit jeweils von einem lokalen Maximalwert einer elektrischen Feldstärke einer infolge eines bei einem Betrieb der Komponente an der Position erzeugten elektrischen Feldes bewirkten dielektrischen Belastung der Keramik geschaffen ist.
Komponente gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines unteren Bereichs einer relativ kleinen elektrischen Feldstärke der elektrische Flächenwiderstand mit einem relativ großen konstanten Wert geschaffen ist, wobei der elektrische Flächenwiderstand entlang eines mittleren Bereichs einer relativ mittleren Feldstärke nichtlinear, insbesondere exponentiell, sich bis zu einem relativ kleinen Wert verkleinernd geschaffen ist und entlang eines oberen Bereichs einer relativ großen elektrischen Feldstärke konstant mit dem relativ kleinen Wert geschaffen ist.
Komponente gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des mittleren Bereichs der elektrische Flächenwiderstand entsprechend der Formel R_Fl = 1/K·E^1-α zu dem relativ kleinen Wert sich verkleinernd geschaffen ist, wobei R_Fl der elektrische Flächenwiderstand, K eine von der Geometrie der Komponente abhängige Konstante, E das sich entlang einer Keramik erstreckende elektrische Feld und α ein Exponent ist.
Komponente gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Exponent α einen Wert zwischen circa 4 und circa 6, insbesondere zwischen circa 4 und circa 5, aufweist.
Komponente gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des unteren Bereichs mit Feldstärken von 1 V/mm bis kleiner circa 20 V/mm, insbesondere bis kleiner circa 10 V/mm, der relativ große konstante Wert des elektrischen Flächenwiderstands ein Wert zwischen circa 10¹⁰ und circa 10¹³ Ohm/Einheitsquadrat, insbesondere zwischen circa 10¹¹ und circa 10¹² Ohm/Einheitsquadrat, ist.
Komponente gemäß Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im mittleren Bereich Feldstärken größer circa 10 V/mm, insbesondere größer circa 20 V/mm, und kleiner circa 2000 V/mm, insbesondere kleiner circa 1000 V/mm, insbesondere kleiner circa 500 V/mm den Werten des elektrischen Flächenwiderstands zugeordnet sind.
Komponente gemäß Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass entlang des oberen Bereichs mit Feldstärken von größer circa 500 V/mm, insbesondere größer circa 800 V/mm, insbesondere größer circa 1000 V/mm, insbesondere größer circa 2000 V/mm, der relativ kleine konstante Wert des elektrische Flächenwiderstands ein Wert zwischen circa 10⁸ und circa 10⁹ Ohm/Einheitsquadrat, insbesondere zwischen circa 2·10⁸ und circa 6·10⁹ Ohm/Einheitsquadrat, ist.
Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des elektrischen Flächenwiderstandes des Widerstandsbelags bei einer konstanten spezifischen Leitfähigkeit des Widerstandsbelages proportional mit einer Länge der Keramik einstellbar ist.
Komponente gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der jeweiligen Keramik zur Vermeidung von Überdimensionierungen jeweils genau an die dielektrische Belastung angepasst ist.
Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des elektrischen Flächenwiderstandes des Widerstandsbelags mittels der Leitfähigkeit des Widerstandsbelages einstellbar ist.
Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des elektrischen Flächenwiderstandes des Widerstandsbelags mittels der Dicke des Widerstandsbelages einstellbar ist.
Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl, insbesondere größer zwei, von diskreten hohlzylinderförmigen Keramiken elektrisch miteinander verschaltet sind und der jeweilige Wert des elektrischen Widerstandes des mittels der leitfähigen Schicht ausgebildeten Widerstandsbelags der jeweiligen Keramik an die wirkende Feldstärke angepasst ist.
Komponente gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von hohlzylinderförmigen Keramiken elektrisch in Serie miteinander verschaltet sind und äußere Keramiken der Serie in Relation zu inneren Keramiken der Serie einen kleinen Wert des elektrischen Widerstandes des Widerstandsbelages aufweisen.
Verwendung einer elektrotechnischen Komponente, insbesondere der Mittel- und/oder Hochspannungstechnik, insbesondere Vakuumschaltröhre für Mittel- und/oder Hochspannungsschalter, die zur elektrischen Isolation mindestens eine Keramik aufweist, auf der auf mindestens einer Oberfläche eine leitfähige Schicht zur Einprägung mindestens eines räumlichen Flächenwiderstandsverlaufs ausgebildet ist, zum elektrischen Isolieren von elektrischen Spannungen, insbesondere von Mittel- und/oder Hochspannungen, insbesondere im Bereich von circa 24KV bis 52KV.